CN112879406B - 螺纹紧固件的操作方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺纹紧固件的操作方法和控制系统，涉及紧固件技术领域。本发明的所述螺纹紧固件包括第一配件和第二配件。操作方法包括：在第一配件上施加预设方向的第一扭矩的同时向第二配件上施加与预设方向相反方向的第二扭矩，其中，第二扭矩小于或等于第一扭矩。本发明的螺纹紧固件的操作方法打破了本领域技术人员的仅在第一配件上施加扭矩的技术偏见。这样第二配件的第一段处所受到的扭矩切应力由于第二扭矩的施加而抵消或减小，从而使得第二配件的屈服轴力更接近纯拉伸条件下的屈服轴力，大大的增加了第二配件的屈服轴力，提高了螺纹接头的可靠性。

Description

螺纹紧固件的操作方法及控制系统

技术领域

本发明涉及紧固件技术领域，特别是涉及一种螺纹紧固件的操作方法及控制系统。

背景技术

在制造业中，螺纹紧固件是广泛使用的一类零件，如螺栓、螺母、螺柱、螺钉等。螺纹连接中螺纹紧固件一般是内螺纹件与外螺纹零件配合使用，成对出现的。螺纹紧固件装配方法包括扭矩控制法、扭矩+转角法、屈服点控制法、拉伸控制法、伸长量控制法等。

扭矩控制法是指利用扭矩与轴力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法。该方法在拧紧时，只对一个确定的紧固扭矩进行控制，使用扭矩值作为控制方法的螺纹紧固件紧固方法，简称扭矩控制，比如使用气动定扭工具、扭矩扳手、扭矩传感器定扭工具定扭拧紧的方法，属于扭矩控制紧固方法。简单来说，就是给螺纹紧固件施加一定的扭矩将其拧紧装配。

扭矩+转角控制法是使用了角度值作为控制方法的螺纹紧固件的紧固方法。一个确定的紧固转角作为指标来对初始轴力进行控制，简称扭矩+转角控制法(T+A)。该扭矩+转角控制法一般为在第一阶段使用扭矩控制进行紧固，最终阶段使用角度控制进行紧固。使用该方法进行紧固工具必须要具备角度传感器。(比如：100Nm+90°，第一步使用扭矩控制紧固到100Nm，第二步使用角度控制使螺栓转动90°)。此方法拧紧的紧固件可使用在弹性区或屈服区。

屈服点控制法是利用材料的屈服现象自动识别紧固件屈服点进行紧固控制的一种高精度拧紧方法。该方法是通过对拧紧的扭矩/转角曲线斜率的连续计算和判断来确定屈服点的，当判断紧固件达到屈服区后停止拧紧。

拉伸控制法是通过设备先给螺栓或螺柱施加一定的拉力，再将螺母拧紧至贴合的方法。此方法因效率较低，一般用在较大规格的紧固件应用场合，在汽车行业应用较少。伸长量控制法是拧紧过程中检测螺栓的伸长量，伸长量达到目标值后停止拧紧，此方法装配后紧固件轴力比较精确，但效率较低、成本高，在汽车行业应用较少。

目前的拧紧装配方法，如扭矩控制法、扭矩+转角法控制法、屈服点控制法都是通过拧紧设备向螺母施加扭矩进行拧紧装配。螺栓、螺柱等紧固件在拧紧过程中同时受到轴向拉应力和扭转切应力的作用。根据第四强度理论，螺栓的屈服轴力低于纯拉伸情况下的屈服轴力，因摩擦系数和螺纹规格的不同，转动情况下的螺栓的屈服轴力与纯拉伸情况下的屈服轴力比值约为75％～90％，即材料性能不能得到充分的利用。

发明内容

本发明的第一方面的一个目的是要提供一种螺纹紧固件的操作方法，解决现有技术中仅仅在螺母处施加扭矩力的技术偏见。

本发明的第一方面的另一个目的是解决现有技术中螺纹紧固件在转动拧紧过程中的屈服轴力低于纯拉伸情况下的屈服轴力，无法充分利用紧固件的材料性能的问题。

本发明的第一方面的又一个目的是要解决现有技术中同等轴力情况下采用的螺纹紧固件的性能高导致成本的问题。

本发明的第二方面的一个目的是提供一种螺纹紧固件的控制系统。

特别地，本发明提供一种螺纹紧固件的操作方法，所述螺纹紧固件包括第一配件和第二配件，所述第一配件套在所述第二配件上；所述操作方法包括：

在所述第一配件上施加预设方向的第一扭矩的同时向所述第二配件上施加与所述预设方向相反方向的第二扭矩，其中，所述第二扭矩小于或等于所述第一扭矩。

可选地，在向所述第二配件施加所述第二扭矩时，控制所述第二配件保持不动。

可选地，所述第一配件在所述第二配件上拧动的过程包括第一阶段和第二阶段；

当所述第一配件在所述第一阶段拧动时，所述第二扭矩等于所述第一扭矩；

当所述第一配件在所述第二阶段拧动时，所述第二扭矩小于所述第一扭矩。

可选地，当所述第一配件在所述第二阶段拧动时，所述第二扭矩与所述第一扭矩的比值为40-60％。

可选地，所述第二扭矩值按照如下的公式获得：

式中：F为拧紧后的目标轴力，P为螺距，μ_s为螺纹摩擦系数，d₂为螺纹中径，α’为螺纹牙侧角。

特别地，本发明还提供一种螺纹紧固件的控制系统，所述螺纹紧固件包括第一配件和第二配件，所述第一配件套在所述第二配件上；所述控制系统包括：

控制装置，配置成用于控制在所述第一配件上施加预设方向的第一扭矩的同时控制向所述第二配件上施加与所述预设方向相反的方向的第二扭矩，其中，所述第一扭矩和所述第二扭矩均为转动扭矩，所述第二扭矩小于或等于所述第一扭矩。

可选地，所述控制装置还配置成在向所述第二配件施加所述第二扭矩时，控制所述第二配件保持不动。

可选地，所述第一配件在所述第二配件上拧动的过程包括第一阶段和第二阶段；

所述控制装置配置成：

当所述第一配件在所述第一阶段拧动时，控制所述第二扭矩等于所述第一扭矩；

当所述第一配件在所述第二阶段拧动时，控制所述第二扭矩小于所述第一扭矩。

可选地，所述控制装置还配置成：

当所述第一配件在所述第二阶段拧动时，控制所述第二扭矩与所述第一扭矩的比值为40-60％。

可选地，所述第一配件包括螺母；

所述第二配件包括螺栓、螺钉或螺柱。

本发明的螺纹紧固件的操作方法，在螺纹紧固件拧紧过程中，同时给第一配件和第二配件施加相反的扭矩，打破了本领域技术人员的仅在第一配件上施加扭矩的技术偏见。

采用本发明的螺纹紧固件的操作方法，在第一配件和第二配件上施加相反的两个扭矩，这样第二配件的第一段处所受到的扭转切应力由于第二扭矩的施加而抵消或减小，从而使得第二配件的屈服轴力更接近纯拉伸条件下的屈服轴力，大大的增加了第二配件的屈服轴力，充分利用第二配件的材料性能，提高了螺纹接头的可靠性。

采用本发明的螺纹紧固件的操作方法后使得需要采用同等轴力的情况下，所使用的螺纹紧固件可以选择低性能、小规格的紧固件，从而可以减重，同时降低成本。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的螺纹紧固件与被紧固件的示意性结构图。

具体实施方式

作为本发明一个具体地实施例，本实施例提供一种螺纹紧固件的操作方法。具体地，螺纹紧固件100包括第一配件101和第二配件102。其中，第一配件101可以是含有内螺纹的螺母，第二配件102可以是含有外螺纹的螺栓、螺柱或螺钉，第一配件101套在第二配件上。正常情况下，本领域技术人员形成的技术偏见是在螺纹紧固件在拧紧的过程中，仅仅去拧动第一配件101(螺母)，也就是仅仅在第一配件101上施加转动的力或扭矩，使得第一配件101转动，从而紧固被连接件。

而采用仅在第一配件上施加扭矩时，拉扭复合应力状态的等效应力如下：

式中б_eq为等效应力，б为拉伸应力，τ为扭转切应力，当螺栓屈服时等效应力б_eq等于材料的屈服强度。综上，当τ≠0时，б_eq＞б。螺栓连接拧紧装配的过程中，杆部的受力为拉扭复合应力，可用第四强度理论进行分析。

螺母(第一配件)的拧紧扭矩为拧紧工具施加在螺母上的扭矩。而螺母与被连接件之间的承压面摩擦扭矩为螺母承压面与被连接件之间的摩擦扭矩。螺纹扭矩为螺母内螺纹与螺栓(第二配件)外螺纹之间由螺纹副摩擦和螺纹升角的作用产生的扭矩。螺母拧紧扭矩等于承压面摩擦扭矩与螺纹扭矩的总和，承压面摩擦扭矩与螺纹扭矩各占螺母拧紧扭矩的约50％。

拧紧的螺栓(第二配件)的屈服轴力计算公式如下：

式中：F_fy为屈服轴力，б_y为螺栓的屈服点，A_s为螺纹公称应力截面积，d_A为螺纹公称应力截面积的等效直径，P为螺距，μ_s为螺纹摩擦系数，d₂为螺纹中径，α’为螺纹牙侧角。

在纯拉伸的条件下，螺栓的屈服轴力F’_fy如下：

F’_fy＝б_yA_s

可见，在第一配件拧紧装配中，螺栓(第二配件)杆部由于受到拉扭复合应力，扭转切应力的大小受螺纹公称应力截面积的等效直径d_A、螺距P、螺纹摩擦系数μ_s、螺纹中径d₂的影响，螺栓的屈服轴力F_fy小于纯拉伸条件下的屈服轴力F’_fy。

本实施例提供一种螺纹紧固件的操作方法，该操作方法可以包括：

在第一配件上施加第一扭矩的同时在第二配件上施加第二扭矩，其中，第一扭矩与所述第二扭矩的方向相反，且第二扭矩小于或等于第一扭矩。

具体地，本实施例如图1所示，图1中示出了螺纹紧固件100紧固在被连接件处的示意图。其中，第一配件101为螺母，第二配件102为螺栓。螺栓又可以包括第一段103和第二段104。第一段103为位于被连接件200中部位置的部分，第二段104为螺母与螺栓紧固连接的部分。在第二配件102中施加第二扭矩时，可以在第二配件102的末端，即第二段104的末端施加。该第二段104的末端可以设计成内六角、外六角等形式，以方便施加扭矩。

本实施例中，由于在螺纹紧固件100拧紧过程中，同时给第一配件101和第二配件102施加相反的扭矩，打破了本领域技术人员的技术偏见(即仅在第一配件101上施加扭矩)。此外，由于仅在第一配件101上施加扭矩时，在紧固过程中，第二配件102的第一段103会受到与第一配件101转动方向相同的扭转切应力，这样由上述公式(1)可以知道，本实施例中的第二配件102的屈服轴力小于纯拉伸时的屈服轴力，使得第二配件102的材料性能未能得到充分的发挥。采用本实施例的方法时，在第一配件101和第二配件102上施加相反的两个扭矩，这样第二配件102的第一段103处所受到的扭矩切应力由于第二扭矩的施加而抵消或减小，从而使得第二配件102的屈服轴力更接近或等于纯拉伸条件下的屈服轴力，充分利用第二配件102的材料性能，大大的增加了第二配件102的屈服轴力，提高了螺纹接头的可靠性。

当然，如果在一些实际场景中，需要采用同等轴力的情况下，采用本实施例的控制方法时，所使用的螺纹紧固件100可以选择低性能、小规格的紧固件，从而可以减重，同时降低成本。

作为本发明的一个实施例，本发明的螺纹紧固件的操作方法中，在向第二配件施加第二扭矩时控制第二配件保持不动。

也就是，在整个螺纹紧固件100拧紧的过程中，在向螺纹紧固件100同时施加两个相反的扭矩时，仅第一配件101转动，而第二配件102保持不动，可以保证第二配件102的第一段103的扭矩切应力减小或消除，避免反向转动出现反向切应力的情况。

作为本发明的一个实施例，在第一配件101上施加第一扭矩的同时在第二配件102上施加第二扭矩的步骤具体包括相继执行的第一拧动阶段和第二拧动阶段，其中，

在第一拧动阶段中，第一配件相对于第二配件转动，且第二扭矩等于第一扭矩；

在第二拧动阶段中，第一配件相对于第二配件转动，且第二扭矩小于所述第一扭矩。

本实施例中的第一拧动阶段为第一配件101未受到其与被紧固件之间的摩擦扭矩时的阶段。由于第一拧动阶段，第一配件101只有与第二配件102之间的螺纹摩擦力，因此，此时施加在第一配件101上的第一扭矩可以与施加在第二配件102上的第二扭矩相同。

本实施例的第二拧动阶段则是第一配件101转动到与被连接件200之间相互接触并产生摩擦时，直到第一配件101转动至停止这一阶段。很显然，在第二拧动阶段时，由于第一配件101不仅受到第一配件101的螺纹摩擦力还受到其与被连接件200之间的摩擦力，因此，此时施加在第一配件101上的第一扭矩要大于施加在第二配件102上的第二扭矩。

通过此方式，既保证了可以在第一配件101和第二配件102上同时施加相反的扭矩，又可以在施加扭矩时，保证第二配件102不转动。

作为一个具体地实施例，本实施例中，当第一配件101在第二拧动阶段拧动时，第二扭矩与第一扭矩的比值为40-60％。具体地，比值可以是40％、50％或60％。优选地可以是50％。例如，施加在第一配件101(螺母)上的目标扭矩为100Nm，而螺纹扭矩约为目标扭矩的50％，则螺纹扭矩约为100Nm×50％＝50Nm。

作为一个具体地实施例，第二扭矩按照如下的公式获得：

式中：F为拧紧后的目标轴力，P为螺距，μ_s为螺纹摩擦系数，d₂为螺纹中径，α’为螺纹牙侧角。其中的目标轴力F可通过连接系统校核计算、螺栓轴力测试等方式得到，螺纹摩擦系数μ_s可使用实际装配的零部件制作工装通过试验机测得，在此不再赘述。

也就是，在螺母拧紧的过程中，第二扭矩按照上述公式获得，而施加在螺栓上的扭矩则在第一拧动阶段等于施加在螺母上的扭矩，在第二拧动阶段时，施加在螺栓上的扭矩则可以为施加在螺母上的扭矩的一半，且方向相反。例如如图1中所示的，施加在螺母上的扭矩为顺时针方向时，施加在螺栓上的扭矩则为逆时针方向。且，本实施例中是在螺栓的末端施加扭矩。

下面以其中一个具体地螺栓螺母作为实施例举例说明本发明的拧紧方法对提升螺栓轴力的作用：

本实施例的螺栓、螺母的强度等级分别为10.9和10级，螺纹规格为M10×1.5，螺纹摩擦系数μ_s＝0.12。

本实施例中，当螺母在拧紧的过程中，当使用现有方法拧紧装配后，螺栓能达到的最大轴力即屈服轴力如公式(1)所示，

将各数据加入到上面的公式中得：

而使用本发明的方法拧紧装配后，螺栓能达到的最大轴力即屈服轴力如下：

F’_fy＝б_yA_s＝940×57.99≈54.51kN

通过上述实施例可看出，在螺栓规格和性能等级不变的情况下，螺栓最大轴力从44.72kN增大为54.51kN，提升了21.89％，进而提高了螺栓连接的可靠性。

作为本发明另一个实施例，本实施例还提供一种螺纹紧固件100的控制系统。

具体地，螺纹紧固件100包括第一配件101和第二配件102。其中，第一配件101可以是含有内螺纹的螺母，第二配件102可以是含有外螺纹的螺栓、螺柱或螺钉。正常情况下，本领域技术人员形成的技术偏见是在螺纹紧固件100进行拧紧的过程中，仅仅去拧动第一配件101(螺母)，也就是仅仅在第一配件101上施加转动的力或扭矩，使得第一配件101转动，从而紧固被连接件。

本实施例的控制系统包括控制装置。该控制装置可以配置成用于控制在第一配件101上施加第一扭矩的同时控制在第二配件102上施加第二扭矩，其中，第一扭矩和第二扭矩的方向相反，第二扭矩小于或等于第一扭矩。

图1中示出了螺纹紧固件100紧固在被连接件处的示意图。其中，第一配件101为螺母，第二配件102为螺栓。螺栓又可以包括第一段103和第二段104。第一段103为位于被连接件200中部位置的部分，第二段104为螺母与螺栓紧固连接的部分。在第二配件102中施加第二扭矩时，可以在第二配件102的末端，即第二段104的末端施加。该第二段104的末端可以设计成内六角花形、外六角等形式，以方便施加扭矩。

本实施例中，由于在螺纹紧固件100拧紧过程中，同时给第一配件101和第二配件102施加相反的扭矩，打破了本领域技术人员的技术偏见(即仅在第一配件101上施加扭矩)。此外，由于仅在第一配件101上施加扭矩力时，在紧固过程中，第二配件102的第一段103会受到与第一配件101转动方向相同的扭矩切应力，这样由上述公式(1)可以知道，本实施例中的第二配件102的屈服轴力小于纯拉伸时的屈服轴力，使得第二配件102的材料性能未能得到充分的发挥。采用本实施例的方法时，在第一配件101和第二配件102上施加相反的两个扭矩，这样第二配件102的第一段103处所受到的扭矩切应力由于第二扭矩的施加而抵消或减小，从而使得第二配件102的屈服轴力更接近纯拉伸条件下的屈服轴力，大大的增加了第二配件102的屈服轴力，提高了螺纹接头的可靠性。

当然，如果在一些实际场景中，需要采用同等轴力的情况下，采用本实施例的控制方法时，所使用的螺纹紧固件100可以选择低性能、小规格的紧固件，从而可以减重，同时降低成本。

控制装置还配置成在向第二配件102施加第二扭矩时，控制第二配件102保持不动。

在整个螺纹紧固件100拧紧的过程中，在向螺纹紧固件100同时施加两个相反的扭矩时，仅第一配件101转动，而第二配件102保持不动，可以保证第二配件102的第一段103的扭矩切应力减小或消除，避免反向转动出现反向切应力的情况。

作为一个实施例，在第一配件101上施加第一扭矩的同时在第二配件102上施加第二扭矩包括相继执行的第一拧动阶段和第二拧动阶段。

控制装置配置成：

在第一拧动阶段中，控制第一配件101相对于第二配件102转动，且第二扭矩等于第一扭矩；

在第二拧动阶段中，控制第一配件101相对于第二配件102转动，且第二扭矩小于第一扭矩。

本实施例中的第一拧动阶段为第一配件101未受到其与被连接件200之间的摩擦扭矩时的阶段。由于第一拧动阶段第一配件101只有与第二配件102之间的螺纹摩擦力，因此，此时施加在第一配件101上的第一扭矩可以与施加在第二配件102上的第二扭矩相同。

第二拧动阶段则是第一配件101转动到与被连接件200之间相互接触并产生摩擦时，直到第一配件101转动至停止这一阶段。很显然，在第二拧动阶段时，由于第一配件101不仅受到第一配件101的螺纹摩擦力还受到其与被连接件200之间的摩擦力，因此，此时施加在第一配件101上的第一扭矩要大于施加在第二配件102上的第二扭矩。通过此方式，即保证了可以在第一配件101和第二配件102上同时施加相反的扭矩，又可以在施加扭矩时，保证第二配件102不转动。

作为一个具体地实施例，本实施例中，当第一配件101在第二拧动阶段拧动时，第一扭矩与第二扭矩的比值为40-60％。具体地，比值可以是40％、50％或60％。优选地可以是50％。例如，施加在第一配件101(螺母)上的目标扭矩为100Nm，而螺纹扭矩约为目标扭矩的50％，则螺纹扭矩约为100Nm×50％＝50Nm。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种螺纹紧固件的操作方法，其特征在于，所述螺纹紧固件包括第一配件和第二配件，所述第一配件套在所述第二配件上；所述操作方法包括：

在所述第一配件上施加第一扭矩的同时在所述第二配件上施加第二扭矩，其中，所述第一扭矩与所述第二扭矩的方向相反，且所述第二扭矩小于或等于所述第一扭矩；

其中，所述第二配件的所受到的扭矩切应力由于所述第二扭矩的施加而抵消或减小，从而使得第二配件的屈服轴力更接近纯拉伸条件下的屈服轴力；

在向所述第二配件施加所述第二扭矩时，控制所述第二配件保持不动；

在所述第一配件上施加第一扭矩的同时在所述第二配件上施加第二扭矩的步骤具体包括相继执行的第一拧动阶段和第二拧动阶段，其中，

在所述第一拧动阶段中，所述第一配件相对于所述第二配件转动，且所述第二扭矩等于所述第一扭矩；

在所述第二拧动阶段中，所述第一配件相对于所述第二配件转动，且所述第二扭矩小于所述第一扭矩。

2.根据权利要求1所述的螺纹紧固件的操作方法，其特征在于，

在所述第二拧动阶段中，所述第二扭矩与所述第一扭矩的比值为40-60％。

3.根据权利要求2所述的螺纹紧固件的操作方法，其特征在于，

所述第二扭矩按照如下的公式获得：

式中：F为拧紧后的目标轴力，P为螺距，μ_s为螺纹摩擦系数，d₂为螺纹中径，α’为螺纹牙侧角。

4.一种螺纹紧固件的控制系统，其特征在于，所述螺纹紧固件包括第一配件和第二配件，所述第一配件套在所述第二配件上；所述控制系统包括：

控制装置，配置成用于控制在所述第一配件上施加第一扭矩的同时控制在所述第二配件上施加第二扭矩，其中，所述第一扭矩和所述第二扭矩的方向相反，所述第二扭矩小于或等于所述第一扭矩；

其中，所述第二配件的所受到的扭矩切应力由于所述第二扭矩的施加而抵消或减小，从而使得第二配件的屈服轴力更接近纯拉伸条件下的屈服轴力；

所述控制装置还配置成在向所述第二配件施加所述第二扭矩时，控制所述第二配件保持不动；

在所述第一配件上施加第一扭矩的同时在所述第二配件上施加第二扭矩包括相继执行的第一拧动阶段和第二拧动阶段，所述控制装置配置成：

在所述第一拧动阶段中，控制所述第一配件相对于所述第二配件转动，且所述第二扭矩等于所述第一扭矩；

在所述第二拧动阶段中，控制所述第一配件相对于所述第二配件转动，且所述第二扭矩小于所述第一扭矩。

5.根据权利要求4所述的螺纹紧固件的控制系统，其特征在于，

所述控制装置还配置成：

在所述第二拧动阶段中，控制所述第二扭矩与所述第一扭矩的比值为40-60％。

6.根据权利要求5所述的螺纹紧固件的控制系统，其特征在于，

所述第一配件包括螺母；

所述第二配件包括螺栓、螺钉或螺柱。

Images